JP2007012556A - Fuel cell system - Google Patents

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Yohei Kaneko
庸平 金子
Masatoshi Iio
雅俊 飯尾
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent freezing of water in an exhaust pipe. <P>SOLUTION: Based on an outer atmospheric temperature detected by an outer atmospheric temperature sensor 24 and a volume of generated power of a fuel cell and a running speed of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system, a judgement is conducted whether moisture in an exhaust pipe 20 where exhaust gas coming out from the fuel cell 1 flows is frozen or not, and in case the moisture in the exhaust pipe 20 is judged to be frozen, an operational condition of the fuel cell system is changed under a control of a control unit 25 and the temperature of the exhaust gas coming out from the fuel cell to the exhaust pipe 20 is raised. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池から排気ガスを排気する排気配管内における水分の凍結防止を改善した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system in which the prevention of freezing of moisture in an exhaust pipe for exhausting exhaust gas from a fuel cell is improved.

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させる燃焼装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池を収めるスタックケースと、燃料電池から排出された空気の排気配管を覆う配管ケースは、スタックケースと配管ケースが一体形成且つケース内が同一空間であり、燃焼装置で燃焼した未反応ガス、すなわち燃焼排気ガスを、配管ケースに送り、スタックケースに流す構成を採用している。   Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). In the technique described in this document, in a fuel cell system including a combustion apparatus that burns unreacted gas discharged from a fuel cell, a stack case for storing the fuel cell and an exhaust pipe for air discharged from the fuel cell are provided. The covering piping case has a structure in which the stack case and the piping case are integrally formed and the inside of the case is the same space, and the unreacted gas burned in the combustion device, that is, the combustion exhaust gas, is sent to the piping case and flows into the stack case ing.

このような構成を採用することで、燃料電池の発電前に燃焼排気ガスを配管ケースに送り、配管ケースから優先的に暖めることで、発電開始時に排気配管の水分の凍結を防ぐようにしている。
特開２００４−２３４８６３ By adopting such a configuration, the combustion exhaust gas is sent to the piping case before power generation by the fuel cell, and the piping case is preferentially warmed to prevent moisture in the exhaust pipe from freezing at the start of power generation. .
JP 2004-234863 A

上記従来の燃料電池システムにおいては、燃焼装置の燃焼で得られた燃焼排気ガスの熱を使用して排気配管を加熱昇温しているので、加熱昇温のための燃焼装置が必要となり、構成が大型化するといった不具合を招いていた。   In the above conventional fuel cell system, the temperature of the exhaust pipe is heated and heated using the heat of the combustion exhaust gas obtained by the combustion of the combustion device. Has caused problems such as an increase in size.

また、配管ケースに燃焼排気ガスを導入して、排気配管を外側から暖めるようにしていたので、排気配管内の温度の昇温効率はさほどよくなかった。このため、配管内で水分が再凍結したような場合には、凍結した水分を解凍できなくなるおそれがあり、配管の閉塞を招くおそれがあった。さらに、凍結した水分の解凍に多くの時間が必要になり、システムの起動に時間がかかるといった不具合を招くおそれもあった。   In addition, since combustion exhaust gas was introduced into the piping case to heat the exhaust piping from the outside, the temperature raising efficiency of the temperature in the exhaust piping was not so good. For this reason, in the case where water is re-frozen in the pipe, there is a possibility that the frozen water cannot be thawed, which may cause the pipe to be blocked. Furthermore, it takes a lot of time to thaw the frozen water, which may cause a problem that it takes time to start up the system.

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気配管内の水分の凍結を抑制した燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which freezing of moisture in the exhaust pipe is suppressed.

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム周囲の外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、前記燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両の車速を検出する車速検出手段と、前記外気温度検出手段で検出された外気温度、前記発電量検出手段で検出された発電量、ならびに前記車速検出手段で検出された車速に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a means for solving the problems of the present invention is to generate power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply means and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply means. In a fuel cell system including a fuel cell to perform, an outside air temperature detecting means for detecting an outside air temperature around the fuel cell system, a power generation amount detecting means for detecting a power generation amount of the fuel cell, and the fuel cell system as a power source Vehicle speed detecting means for detecting the vehicle speed of the fuel cell vehicle mounted as: the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means, the power generation amount detected by the power generation amount detecting means, and the vehicle speed detected by the vehicle speed detecting means And determining whether or not the moisture in the exhaust pipe through which the exhaust gas discharged from the fuel cell flows is frozen, and when the moisture in the exhaust pipe is frozen If you separate the fuel by changing the operating requirements of the cell system, characterized in that a control means for raising the temperature of the exhaust gas exhausted to the exhaust pipe from the fuel cell.

本発明によれば、システムの運転要件を変更してカソード極側の排気ガス温度を上昇させるようにしたので、温度が高められた排気ガスが流通する排気配管２０を内部から昇温することが可能となり、排気配管２０内の水分凍結を抑制することが可能となる。   According to the present invention, since the exhaust gas temperature on the cathode electrode side is increased by changing the operating requirements of the system, the temperature of the exhaust pipe 20 through which the exhaust gas whose temperature has been increased circulates can be increased from the inside. It becomes possible, and it becomes possible to suppress moisture freezing in the exhaust pipe 20.

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムにおいて、燃料電池１は、アノード極に燃料ガスの水素ガスが、カソード極に酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In the system of Embodiment 1 shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is supplied with hydrogen gas as a fuel gas at the anode electrode and air as an oxidant gas at the cathode electrode, and the electrode reaction shown below proceeds to generate power. Is done.

（化１）
アノード（水素）極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード（酸素）極：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極への水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１６、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁１６で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環ポンプ５は、アノード極で消費されなかった水素を再循環させるために設置される。アノード極の水素圧は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。アノード極側入口の水素ガスの温度は温度センサ１１ｃで検出され、燃料電池１から排出されて入口側に循環される水素オフガスの温度は温度センサ１１ｅで検出される。 (Chemical formula 1)
Anode (hydrogen) electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode (oxygen) electrode: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
Hydrogen is supplied from the hydrogen tank 2 through the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 16, and the hydrogen supply valve 4 to the anode electrode. The high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 16, and the hydrogen pressure in the fuel cell 1 is controlled to a desired hydrogen pressure by the hydrogen supply valve 4. The hydrogen circulation pump 5 is installed to recirculate hydrogen that has not been consumed at the anode electrode. The hydrogen pressure at the anode electrode is controlled by driving the hydrogen supply valve 4 by feeding back the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 6a. By controlling the hydrogen pressure to be constant, the hydrogen consumed by the fuel cell 1 is automatically supplemented. The temperature of the hydrogen gas at the anode electrode side inlet is detected by the temperature sensor 11c, and the temperature of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 1 and circulated to the inlet side is detected by the temperature sensor 11e.

パージ弁７は、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する際に開弁される。また、パージ弁７は、セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを排気する際に開弁される。さらに、パージ弁７は、燃料電池１の劣化を防止するために、システム起動時および停止時にカソード極の酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換させる際に閉弁される。   The purge valve 7 is opened when the nitrogen accumulated in the hydrogen system is discharged in order to ensure the hydrogen circulation function. The purge valve 7 is opened when exhausting water clogged in the gas flow path in order to recover the cell voltage. Further, in order to prevent the fuel cell 1 from deteriorating, the purge valve 7 is closed when the gas in the hydrogen system is replaced with hydrogen while consuming oxygen from the cathode electrode at the time of starting and stopping the system.

カソード極への空気はコンプレッサ８により供給される。カソード極の空気圧は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁９を駆動することによって制御される。カソード極側の温度は、温度センサ１１ｄで検出する。コンプレッサ８の下流側と空気調圧弁９の下流側の排気配管２０との間には、コンプレッサ８から送出された空気を直接空気調圧弁９の下流側に導く配管２１を備え、この配管２１には空気流通を制御するストップバルブ１９が設けられている。   Air to the cathode electrode is supplied by the compressor 8. The air pressure of the cathode electrode is controlled by driving the air pressure regulating valve 9 by feeding back the air pressure detected by the pressure sensor 6b. The temperature on the cathode electrode side is detected by the temperature sensor 11d. Between the downstream side of the compressor 8 and the exhaust pipe 20 on the downstream side of the air pressure regulating valve 9, a pipe 21 that guides the air sent from the compressor 8 directly to the downstream side of the air pressure regulating valve 9 is provided. Is provided with a stop valve 19 for controlling the air flow.

燃料電池１に供給される空気の空気圧、ならびに水素の水素圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜２２やセパレータ２３に歪みを生じないように所定の差圧に管理される。   The air pressure of the air supplied to the fuel cell 1 and the hydrogen pressure of hydrogen are set in consideration of the power generation efficiency and the water balance, and at a predetermined differential pressure so as not to cause distortion in the electrolyte membrane 22 and the separator 23. Managed.

燃料電池１の冷却水流路への冷却水は、冷却水ポンプ１０により供給される。冷却水用三方弁１２は、冷却水の流路をラジエタ１３方向またはラジエタバイパス方向に切り替え分流する。ラジエタバイパス方向には、経路内にバイパスされた冷却水を昇温する冷却水ヒータ１５を備えている。ラジエタファン１４は、ラジエタ１３へ送風して冷却水を冷やす。ラジエタ１３は、その入口側に温度センサ１１ｆを備え、出口側に温度センサ１１ｇを備えている。   Cooling water to the cooling water flow path of the fuel cell 1 is supplied by the cooling water pump 10. The cooling water three-way valve 12 switches and diverts the flow path of the cooling water to the radiator 13 direction or the radiator bypass direction. A cooling water heater 15 is provided in the radiator bypass direction to raise the temperature of the cooling water bypassed in the path. The radiator fan 14 blows air to the radiator 13 to cool the cooling water. The radiator 13 includes a temperature sensor 11f on the inlet side and a temperature sensor 11g on the outlet side.

冷却水の温度は、燃料電池１の冷却水流路の入口側に設けられた温度センサ１１ａと、出口側に設けられた温度センサ１１ｂで検出された温度をフィードバックして、冷却水用三方弁１２とラジエタファン１４を駆動制御することによって調整される。   The temperature of the cooling water feeds back the temperature detected by the temperature sensor 11a provided on the inlet side of the cooling water flow path of the fuel cell 1 and the temperature sensor 11b provided on the outlet side, and the three-way valve for cooling water 12 is fed back. And the radiator fan 14 is controlled by driving.

パワーマネージャー１７は、燃料電池１から電力を取り出して、本発明の燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両（図示せず）を駆動するモータ（図示せず）へ電力を供給する。パワーマネージャー１７は、燃料電池システムの起動、停止時に電圧センサ１８で検出された燃料電池１の電圧および経過時間に応じて、燃料電池１から電力を取り出して、カソード極の酸素を消費させる。   The power manager 17 extracts electric power from the fuel cell 1 and supplies electric power to a motor (not shown) that drives a fuel cell vehicle (not shown) equipped with the fuel cell system of the present invention as a power source. The power manager 17 takes out electric power from the fuel cell 1 according to the voltage and elapsed time of the fuel cell 1 detected by the voltage sensor 18 when the fuel cell system is started and stopped, and consumes oxygen at the cathode electrode.

燃料電池システムは、システムの外気温を検出する外気温度センサ２４、ならびにコントロールユニット２５を備えており、また、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両には、車両の車速を検出する車速センサ（図示せず）が設けられ、この車速センサで検出された車速がコントロールユニット２５に与えられる。   The fuel cell system includes an outside air temperature sensor 24 for detecting the outside air temperature of the system, and a control unit 25. A fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system has a vehicle speed sensor (see FIG. (Not shown) is provided, and the vehicle speed detected by the vehicle speed sensor is given to the control unit 25.

コントロールユニット２５は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニット２５は、本システムにおける上記各センサ、ならびこれらの各センサで得られない他の圧力、温度、電圧、電流等システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、本発明の特徴的なシステムの運転モードの変更、ならびに排気管内の水分凍結防止動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。   The control unit 25 functions as a control center that controls the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example, a microcomputer. Etc. The control unit 25 receives signals from the sensors (not shown) that collect information necessary for the operation of the system, such as the above-mentioned sensors in this system and other pressures, temperatures, voltages, currents, etc. that cannot be obtained by these sensors. Based on the read various signals and the control logic (program) stored in advance, a command is sent to each component of the system, and the operation mode change of the characteristic system of the present invention, which will be described below, In addition, all operations necessary for the operation / stop of this system including the moisture freezing prevention operation in the exhaust pipe are managed and controlled.

このような構成において、図２に示すフローチャートを参照してこの実施例１の動作を説明する。   In such a configuration, the operation of the first embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図２において、先ず本燃料電池システムを起動する（ステップＳ２１）。続いて、外気温度センサ２４のセンサ信号、電圧センサ１８のセンサ信号、車速センサのセンサ信号をコントロールユニット２５に読み込み（ステップＳ２２）、コントロールユニット２５で外気温度Ｔｓ、スタック発電量Ｏｓ、車速Ｓｓを認識する。   In FIG. 2, the fuel cell system is first activated (step S21). Subsequently, the sensor signal of the outside air temperature sensor 24, the sensor signal of the voltage sensor 18, and the sensor signal of the vehicle speed sensor are read into the control unit 25 (step S22), and the outside air temperature Ts, the stack power generation amount Os, and the vehicle speed Ss are obtained by the control unit 25. recognize.

その後、外気温度Ｔｓが閾値Ｔｄ１以下であるか否か、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ１以下であるか否か、ならびに車速Ｓｓが閾値Ｓｄ１以上であるか否かを判別する（ステップＳ２３）。判別の結果、外気温度Ｔｓが閾値Ｔｄ１以下、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ１以下、かつ車速Ｓｓが閾値Ｓｄ１以上である要件が成立した場合は、ストップバルブ１９を開弁する（ステップＳ２４）一方、上記判別要件が成立しない場合には、先のステップＳ２２に戻る。ここで、閾値Ｔｄ１、Ｏｄ１、Ｓｄ１は例えば、０℃程度、１５ｋＷ程度、１０ｋｍ／ｈ程度に設定される。   Thereafter, it is determined whether or not the outside air temperature Ts is equal to or lower than the threshold value Td1, whether or not the stack power generation amount Os is equal to or lower than the threshold value Od1, and whether or not the vehicle speed Ss is equal to or higher than the threshold value Sd1 (step S23). As a result of the determination, when the requirements that the outside air temperature Ts is equal to or less than the threshold value Td1, the stack power generation amount Os is equal to or less than the threshold value Od1, and the vehicle speed Ss is equal to or greater than the threshold value Sd1, the stop valve 19 is opened (step S24). If the determination requirement is not satisfied, the process returns to the previous step S22. Here, the threshold values Td1, Od1, and Sd1 are set to, for example, about 0 ° C., about 15 kW, and about 10 km / h.

これにより、コンプレッサ８から送出された圧縮加熱空気は、配管２１ならびに開弁されたストップバルブ１９を介して排気配管２０に供給される。また、システムの運転効率を多少低下させる方向に、燃料電池１の運転圧力の設定値を変更する（ステップＳ２５）。変更後の運転圧力Ｐｃは、例えば１１０ｋＰａ＿ａ程度に設定される。   Thereby, the compressed heated air sent from the compressor 8 is supplied to the exhaust pipe 20 through the pipe 21 and the stop valve 19 opened. Further, the set value of the operating pressure of the fuel cell 1 is changed in a direction that slightly reduces the operating efficiency of the system (step S25). The changed operating pressure Pc is set to about 110 kPa_a, for example.

さらに、カソード極の排気ガスの温度を上げるために、コントロールユニット２５の制御の下に冷却水ヒータ１５ならびに冷却水ポンプ１０を調整制御し、燃料電池１の運転ならびに劣化に支障をきたさない程度に冷却水の温度を上げ、かつ冷却水の流量を下げて、冷却水流量と冷却水温度の設定値をそれぞれＦｃ、Ｔｃに変更する（ステップＳ２６）。ここで、変更後の冷却水流量Ｆｃは例えば１０Ｌ／ｍｉｎ程度とし、変更後の冷却水温度Ｔｃは例えば６０℃程度に設定される。   Furthermore, in order to raise the temperature of the exhaust gas at the cathode electrode, the cooling water heater 15 and the cooling water pump 10 are adjusted and controlled under the control of the control unit 25 so that the operation and deterioration of the fuel cell 1 are not hindered. The temperature of the cooling water is raised and the flow rate of the cooling water is lowered, and the set values of the cooling water flow rate and the cooling water temperature are changed to Fc and Tc, respectively (step S26). Here, the changed cooling water flow rate Fc is set to about 10 L / min, for example, and the changed cooling water temperature Tc is set to about 60 ° C., for example.

このように運転要件を変化した後、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ２以上であるか否か、車速Ｓｓが閾値Ｓｄ２以下であるか否かを判別する（ステップＳ２７）。判別の結果、スタック発電量Ｏｓが閾値Ｏｄ２以上であり、かつ車速Ｓｓが閾値Ｓｄ２以下であると判別された場合は、一連の処理を終了し（ステップＳ２８）、燃料電池１の運転圧、冷却水流量、冷却水温度を変更前の通常の制御に戻す一方、上記判別要件が成立しない場合には、上記条件にてシステムの運転を継続する。ここで、閾値Ｏｄ２、Ｓｄ２は、例えば１０ｋＷ程度、５ｋｍ／ｈ程度に設定される。   After changing the driving requirements in this way, it is determined whether or not the stack power generation amount Os is equal to or greater than the threshold value Od2 and whether the vehicle speed Ss is equal to or less than the threshold value Sd2 (step S27). As a result of the determination, when it is determined that the stack power generation amount Os is equal to or greater than the threshold value Od2 and the vehicle speed Ss is equal to or less than the threshold value Sd2, a series of processing is terminated (step S28), and the operating pressure and cooling of the fuel cell 1 are completed. While returning the water flow rate and the cooling water temperature to the normal control before the change, if the determination requirement is not satisfied, the operation of the system is continued under the above conditions. Here, the threshold values Od2 and Sd2 are set to, for example, about 10 kW and about 5 km / h.

このように、上記実施例１においては、燃料電池１に供給されるガスのガス圧を下げてシステムの発電効率を低下させ、燃料電池１に供給される冷却水の温度を上げ、燃料電池１に供給される冷却水の流量を下げて、カソード極側の排気ガス温度を上昇させることで、温度が高められた排気ガスが流通する排気配管２０の内部が昇温され、排気配管２０内の水分凍結を抑制することが可能となる。これにより、氷結による排気配管２０の閉塞を回避することができる。また、排気配管２０の内部側から排気配管２０を加熱昇温するので、迅速に排気配管２０内を昇温することが可能となる。   Thus, in the first embodiment, the gas pressure of the gas supplied to the fuel cell 1 is lowered to lower the power generation efficiency of the system, the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 1 is increased, and the fuel cell 1 By reducing the flow rate of the cooling water supplied to the cathode electrode and raising the exhaust gas temperature on the cathode electrode side, the temperature inside the exhaust pipe 20 through which the exhaust gas whose temperature has been increased flows is increased. It becomes possible to suppress moisture freezing. Thereby, obstruction | occlusion of the exhaust piping 20 by freezing can be avoided. Further, since the temperature of the exhaust pipe 20 is heated from the inside of the exhaust pipe 20, the inside of the exhaust pipe 20 can be quickly heated.

さらに、コンプレッサ８から圧縮加熱された空気を直接排気配管２０に供給することで、排気配管２０を迅速に昇温することが可能となる。   Furthermore, by supplying the air compressed and heated from the compressor 8 directly to the exhaust pipe 20, it is possible to quickly raise the temperature of the exhaust pipe 20.

なお、上記実施例１では、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を併せて実施しているが、システムの運転要件の変更だけを実施してもよく、この場合にでも上述した実施例１の効果を得ることが可能である。   In the first embodiment, the system operating requirements are changed and the heated air is directly supplied from the compressor 8 to the exhaust pipe 20, but only the system operating requirements are changed. Even in this case, the effects of the first embodiment described above can be obtained.

図３は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す実施例２のシステムの特徴とするところは、先の実施例１の図１に示す構成に比べて、外気温度センサ２４に代えて、空気調圧弁９の下流の排気配管２０に、排気配管２０内の温度を検出する排気温度センサ２６を設け、この排気温度センサ２６で検出された温度に基づいて、先の実施例１と同様な、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を制御するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. The system of the second embodiment shown in FIG. 3 is characterized in that the exhaust pipe 20 downstream of the air pressure regulating valve 9 is replaced with the outside air temperature sensor 24 as compared with the configuration shown in FIG. The exhaust temperature sensor 26 for detecting the temperature in the exhaust pipe 20 is provided. Based on the temperature detected by the exhaust temperature sensor 26, the system operating requirements are changed as in the first embodiment, and the compressor 8 The direct supply of heated air to the exhaust pipe 20 is controlled, and the others are the same as in the first embodiment.

このような構成において、図４に示すフローチャートを参照してこの実施例２の動作を説明する。   With this configuration, the operation of the second embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図４において、先ず本燃料電池システムを起動する（ステップＳ４１）。続いて、排気温度センサ２６のセンサ信号をコントロールユニット２５に読み込み（ステップＳ４２）、排気配管２０の温度Ｔｅｓを認識する。   In FIG. 4, first, the present fuel cell system is activated (step S41). Subsequently, the sensor signal of the exhaust temperature sensor 26 is read into the control unit 25 (step S42), and the temperature Tes of the exhaust pipe 20 is recognized.

その後、排気配管２０の温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ１以下であるか否かを判別する（ステップＳ４３）。判別の結果、温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ１以下である場合は、ストップバルブ１９を開弁する（ステップＳ４４）一方、以下でない場合には、先のステップＳ４２に戻る。ここで、閾値Ｔｄ１は、例えば０℃程度に設定される。   Thereafter, it is determined whether or not the temperature Tes of the exhaust pipe 20 is equal to or lower than a threshold value Td1 (step S43). As a result of the determination, if the temperature Tes is equal to or lower than the threshold value Td1, the stop valve 19 is opened (step S44). If not, the process returns to the previous step S42. Here, the threshold value Td1 is set to about 0 ° C., for example.

これにより、コンプレッサ８から送出された圧縮加熱空気は、配管２１ならびに開弁されたストップバルブ１９を介して排気配管２０に供給される。また、システムの運転効率を多少低下させる方向に、燃料電池１の運転圧力の設定値を変更する（ステップＳ４５）。変更後の運転圧力Ｐｃは、例えば１１０ｋＰａ＿ａ程度に設定される。   Thereby, the compressed heated air sent from the compressor 8 is supplied to the exhaust pipe 20 through the pipe 21 and the stop valve 19 opened. Further, the set value of the operating pressure of the fuel cell 1 is changed in a direction that slightly reduces the operating efficiency of the system (step S45). The changed operating pressure Pc is set to about 110 kPa_a, for example.

さらに、カソード極の排気ガスの温度を上げるために、燃料電池１の運転ならびに劣化に支障をきたさない程度に冷却水の温度を上げ、かつ冷却水の流量を下げて、冷却水流量と冷却水温度の設定値をそれぞれＦｃ、Ｔｃに変更する（ステップＳ４６）。ここで、変更後の冷却水流量Ｆｃは例えば１０Ｌ／ｍｉｎ程度とし、変更後の冷却水温度Ｔｃは例えば６０℃程度に設定される。   Further, in order to raise the temperature of the exhaust gas at the cathode electrode, the temperature of the cooling water is raised to such an extent that the operation and deterioration of the fuel cell 1 are not hindered, and the flow rate of the cooling water is lowered. The temperature set values are changed to Fc and Tc, respectively (step S46). Here, the changed cooling water flow rate Fc is set to about 10 L / min, for example, and the changed cooling water temperature Tc is set to about 60 ° C., for example.

このように運転要件を変化した後、排気配管２０の温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ２以上であるか否かを判別する（ステップＳ４７）。判別の結果、温度Ｔｅｓが閾値Ｔｄ２以上であると判別された場合は、一連の処理を終了し（ステップＳ４８）、燃料電池１の運転圧、冷却水流量、冷却水温度を変更前の通常の制御に戻す一方、以下である場合には、上記要件にてシステムの運転を継続する。ここで、閾値Ｔｄ２は、例えば１０℃程度に設定される。   After changing the operation requirements in this way, it is determined whether or not the temperature Tes of the exhaust pipe 20 is equal to or higher than the threshold value Td2 (step S47). As a result of the determination, when it is determined that the temperature Tes is equal to or higher than the threshold value Td2, a series of processing ends (step S48), and the normal operation pressure before changing the operating pressure, the coolant flow rate, and the coolant temperature of the fuel cell 1 is terminated. On the other hand, in the case of the following, the system operation is continued with the above requirements. Here, the threshold value Td2 is set to about 10 ° C., for example.

このように、上記実施例２においては、排気配管２０の温度に基づいて、先の実施例１と同様に、システムの運転要件の変更、ならびにコンプレッサ８から排気配管２０への加熱空気の直接供給を制御するようにしたので、先の実施例１に比べてより高精度に上記制御を行うことが可能となり、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。   As described above, in the second embodiment, based on the temperature of the exhaust pipe 20, as in the first embodiment, the system operating requirements are changed, and the heated air is directly supplied from the compressor 8 to the exhaust pipe 20. Therefore, the above control can be performed with higher accuracy than in the first embodiment, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

なお、この実施例２においても、先の実施例１と同様に、システムの運転要件の変更だけを実施してもよい。   In the second embodiment, just as in the first embodiment, only the operation requirements of the system may be changed.

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the fuel cell system which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…水素循環ポンプ
６ａ，６ａ…圧力センサ
７…パージ弁
８…コンプレッサ
９…空気調圧弁
１０…冷却水ポンプ
１１ａ〜１１ｇ…温度センサ
１２…冷却水用三方弁
１３…ラジエタ
１４…ラジエタファン
１５…冷却水ヒータ
１６…減圧弁
１７…パワーマネージャー
１８…電圧センサ
１９…ストップバルブ
２０…排気配管
２１…配管
２２…電解質膜
２３…セパレータ
２４…外気温度センサ
２５…コントロールユニット
２６…排気温度センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Hydrogen tank 3 ... Hydrogen tank main valve 4 ... Hydrogen supply valve 5 ... Hydrogen circulation pump 6a, 6a ... Pressure sensor 7 ... Purge valve 8 ... Compressor 9 ... Air pressure regulating valve 10 ... Cooling water pump 11a-11g ... temperature sensor 12 ... three-way valve for cooling water 13 ... radiator 14 ... radiator fan 15 ... cooling water heater 16 ... pressure reducing valve 17 ... power manager 18 ... voltage sensor 19 ... stop valve 20 ... exhaust pipe 21 ... pipe 22 ... electrolyte membrane 23 ... Separator 24 ... Outside air temperature sensor 25 ... Control unit 26 ... Exhaust temperature sensor

Claims (3)

燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システム周囲の外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記燃料電池システムを動力源として搭載した燃料電池車両の車速を検出する車速検出手段と、
前記外気温度検出手段で検出された外気温度、前記発電量検出手段で検出された発電量、ならびに前記車速検出手段で検出された車速に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply unit and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply unit,
Outside air temperature detecting means for detecting outside air temperature around the fuel cell system;
A power generation amount detecting means for detecting a power generation amount of the fuel cell;
Vehicle speed detection means for detecting the vehicle speed of a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system as a power source;
Based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means, the power generation amount detected by the power generation amount detecting means, and the vehicle speed detected by the vehicle speed detecting means, the exhaust gas discharged from the fuel cell flows. It is determined whether or not the moisture in the exhaust pipe is frozen, and if it is determined that the moisture in the exhaust pipe is frozen, the operating requirement of the fuel cell system is changed and the fuel cell is changed to the exhaust pipe. And a control means for raising the temperature of the exhaust gas to be exhausted. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する排気配管内の温度を検出する排気配管温度検出手段と、
前記排気配管温度検出手段で検出された排気配管温度に基づいて、前記燃料電池から排出された排気ガスが流通する前記排気配管内の水分が凍結するか否かを判別し、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記燃料電池システムの運転要件を変更して、前記燃料電池から前記排気配管に排気される排気ガスの温度を上昇させる制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied by a fuel gas supply unit and an oxidant gas supplied by an oxidant gas supply unit,
Exhaust pipe temperature detecting means for detecting the temperature in the exhaust pipe through which the exhaust gas discharged from the fuel cell flows;
Based on the exhaust pipe temperature detected by the exhaust pipe temperature detection means, it is determined whether or not moisture in the exhaust pipe through which the exhaust gas discharged from the fuel cell flows is frozen, Control means for changing the operating requirements of the fuel cell system to increase the temperature of the exhaust gas exhausted from the fuel cell to the exhaust pipe when it is determined that the water freezes. Fuel cell system. 前記酸化剤ガス供給手段と前記排気配管とを直接連結する配管と、
前記配管に設けられ、前記配管における酸化剤ガスの流通／遮断を制御する制御弁とを備え、
前記制御手段は、前記排気配管内の水分が凍結すると判別した場合には、前記制御弁を開弁して、前記配管を介して前記酸化剤供給手段から加熱された酸化剤ガスを前記排気配管に供給して、前記排気配管を昇温する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 A pipe directly connecting the oxidant gas supply means and the exhaust pipe;
A control valve that is provided in the pipe and controls flow / blocking of the oxidant gas in the pipe;
When it is determined that the moisture in the exhaust pipe is frozen, the control means opens the control valve, and the oxidant gas heated from the oxidant supply means via the pipe is supplied to the exhaust pipe. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature of the exhaust pipe is increased.
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